Mobile robot platform on 3D shape façade using wheel-leg mechanism for rope-based façade robot

Abstract

외벽청소작업은 사람이 하기에 위험한 작업이기 때문에, 이를 대체하기 위한 외벽청소로봇들이 발달해 왔다. 이러한 로봇들은 세상에 다양한 형태의 건물들이 있는데도 불구하고 대부분 고층수직 건물들만 타겟으로 한다. 따라서 3차원 곡면형상을 가지는 건물을 타겟으로 하는 로봇을 개발하고자 한다. 이전 연구에서 고층 수직 외벽 부착을 위해 2개의 로프를 사용하는 Dual ascender robot이 가장 빠르고 견실하며 설치도 간편한 장점이 있었다. 하지만 장애물 극복능력이 떨어지며, 돔 형태의 건물처럼 기울기가 낮은 구간에서는 외벽과 로봇의 보조바퀴 사이의 마찰이 커져 로프 만으로 이동을 하기 어려운 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 해결하고자 휠레그 메커니즘을 이용하고자 한다. 휠레그는 3자유도 레그 및 메카넘 휠, 터렛으로 구성되어 있다. 3자유도 leg를 통해 500mm 정도의 큰 장애물을 극복할 수 있으며, 바퀴 반지름 보다 작은 장애물은 leg의 임피던스 컨트롤을 통해 지면에 리엑티브하게 넘어 갈 수 있다. 메카넘 인휠 모터를 통해 낮은 기울기에서의 마찰문제해결과 동시에 DAR의 omnidirectional한 움직임을 그대로 사용할 수 있다. 또한, DAR과 휠레그로봇의 사이에 연결된 터렛은 로프가 항상 건물 위에 걸려있어도, 휠레그 로봇의 yaw rotation을 가능하게 해주어, 방향전환을 가능하게 한다. 랩에서 테스트벤치를 구성하여 로봇의 장애물 극복 기능 검증을 수행하였다. 곡면과 유사한 환경을 위해 트레드밀의 기울기를 다양하게 변경하여 실험하였으며, 휠 구동을 가지고 30mm 장애물 극복이 가능하였으며, leg를 통해 255mm 장애물 극복이 가능하였다. 로프와 휠레그 특성을 통해 장애물 극복에 있어 다양한 궤적의 가능성을 보였다. |Since façade cleaning is a dangerous task for humans, façade cleaning robots have been developed to replace it. Most of these robots target only high-rise vertical buildings, even though there are various types of buildings in the world. Therefore, façade cleaning robot targeting 3D shaped buildings is needed. In a previous study, the dual ascender robot (DAR), which uses two ropes for attaching a high-rise vertical façade, has the advantage of being the fastest, most robust, and easy to install. However, there is a problem of low capacity of overcoming-obstacles. In addition, it is difficult to move to the rope bay due to the increased friction between the facade and the robot's auxiliary wheels in the section with a low slope like a dome-shaped building. Therefore, in this study, wheel-leg mechanism is used to solve this problem. The wheel leg consists of a 3-DoF leg, mecanum active wheel, and a turret. A large obstacle of about 500 mm can be overcome through the 3 degrees of freedom leg, and an obstacle smaller than the wheel radius can be reactive to the ground through the impedance control of the leg. Through the mecanum active wheel, it is possible not only to solve the friction problem at a low slope and but also to use the omni-directional movement of the DAR as it is. In addition, the turret connected between the DAR and the wheel-leg robot enables yaw rotation of the wheel-leg robot, even if the rope is always hung on the building, enabling a change of direction. The test bench was configured in the lab to verify the robot's obstacle overcoming function. The experiment was conducted by varying the slope of the treadmill for an environment like 3D shaped buildings. The proposed robot can overcome 30mm obstacles through leg impedance control, and 255mm obstacles through leg trajectory planning. Through the properties of wheel-leg and rope, the possibility of various trajectories in overcoming obstacles was shown.